Computations of two-phase fluid flows with phase-field models

Two-phase fluid flows arise in a wide variety of industrial and scientific applications. Inherent feature of the two-phase flows is the topological evolution of the interface between the two fluids, which leads to the formation of various flow patterns or regimes that depend strongly on the properti...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Βασιλόπουλος, Γιάννης
Άλλοι συγγραφείς: Τσαμόπουλος, Ιωάννης
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2016
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/9174
id nemertes-10889-9174
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Multiphase fluid flows
Cahn-Hilliard equation
Navier-Stokes/Cahn-Hilliard systems
Diffuse interface
Phase-field models
Surface capturing
Interfacial flow modeling
Phase separation
Spinodal decomposition
Central difference schemes
Explicit numerical methods
Implicit numerical methods
Semi-implicit numerical methods
Πολυφασικές ροές ρευστών
Εξισώσεις Navier-Stokes
Παραμόρφωση διεπιφανειών
532.56
spellingShingle Multiphase fluid flows
Cahn-Hilliard equation
Navier-Stokes/Cahn-Hilliard systems
Diffuse interface
Phase-field models
Surface capturing
Interfacial flow modeling
Phase separation
Spinodal decomposition
Central difference schemes
Explicit numerical methods
Implicit numerical methods
Semi-implicit numerical methods
Πολυφασικές ροές ρευστών
Εξισώσεις Navier-Stokes
Παραμόρφωση διεπιφανειών
532.56
Βασιλόπουλος, Γιάννης
Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
description Two-phase fluid flows arise in a wide variety of industrial and scientific applications. Inherent feature of the two-phase flows is the topological evolution of the interface between the two fluids, which leads to the formation of various flow patterns or regimes that depend strongly on the properties of both fluids, the properties of the interface and the flow rate. Τhe detailed description of a moving interface remains challenging from physical and computational points of view due to the strong impact of surface tension and the discontinuity that arises in the stress and pressure field across the interface. This Master thesis deals with the simulation of prototype two-phase flows via the phase-field model. Throughout the present work, the two fluids are supposed to be Newtonian, incompressible, immiscible and of matched densities. Thus, the Navier-Stokes equations along with the continuity equation, govern the flow of the two fluids, while the Cahn-Hilliard equation is used to describe the evolution of the interface as well as to produce an additional term in the Navier-Stokes equations representing the surface tension force acting only on the interfacial region. Two novel numerical algorithms (NSCH) have been developed for accurate time integration of the governing equations; the first one is used for the simulation of moderate and high Reynolds number flows and the second one for the simulation of low Reynolds number flows. In both cases, the Cahn-Hilliard equation is always treated implicitly, while the modified NS equations are integrated explicitly in the first case and semi-implicitly in the second case. The efficiency of the algorithm is verified on a set of problems. In particular, phase separation processes have been studied, to ensure the validity of the Cahn-Hilliard solver excluding flow effects. Then, the efficiency of the NSCH model is tested by tracking a fluid/fluid interface when it experiences large deformations due to an imposed vortex flow. We have validated the entire algorithm through simulations of two-phase flows and comparison to results found in the literature. Specifically, we studied the interfacial instabilities due to viscosity stratification in a planar Couette flow and the effects of inertia and capillarity on the deformation of liquid drops in simple shear flow.
author2 Τσαμόπουλος, Ιωάννης
author_facet Τσαμόπουλος, Ιωάννης
Βασιλόπουλος, Γιάννης
format Thesis
author Βασιλόπουλος, Γιάννης
author_sort Βασιλόπουλος, Γιάννης
title Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
title_short Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
title_full Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
title_fullStr Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
title_full_unstemmed Computations of two-phase fluid flows with phase-field models
title_sort computations of two-phase fluid flows with phase-field models
publishDate 2016
url http://hdl.handle.net/10889/9174
work_keys_str_mv AT basilopoulosgiannēs computationsoftwophasefluidflowswithphasefieldmodels
AT basilopoulosgiannēs ypologismoiroōndiphasikōnreustōnmemethodouspediouphasēs
_version_ 1771297206293233664
spelling nemertes-10889-91742022-09-05T11:16:36Z Computations of two-phase fluid flows with phase-field models Υπολογισμοί ροών διφασικών ρευστών με μεθόδους πεδίου-φάσης Βασιλόπουλος, Γιάννης Τσαμόπουλος, Ιωάννης Τσαμόπουλος, Ιωάννης Δημακόπουλος, Ιωάννης Pieter (Ko) van der Weele, Jacobus Vasilopoulos, Yannis Multiphase fluid flows Cahn-Hilliard equation Navier-Stokes/Cahn-Hilliard systems Diffuse interface Phase-field models Surface capturing Interfacial flow modeling Phase separation Spinodal decomposition Central difference schemes Explicit numerical methods Implicit numerical methods Semi-implicit numerical methods Πολυφασικές ροές ρευστών Εξισώσεις Navier-Stokes Παραμόρφωση διεπιφανειών 532.56 Two-phase fluid flows arise in a wide variety of industrial and scientific applications. Inherent feature of the two-phase flows is the topological evolution of the interface between the two fluids, which leads to the formation of various flow patterns or regimes that depend strongly on the properties of both fluids, the properties of the interface and the flow rate. Τhe detailed description of a moving interface remains challenging from physical and computational points of view due to the strong impact of surface tension and the discontinuity that arises in the stress and pressure field across the interface. This Master thesis deals with the simulation of prototype two-phase flows via the phase-field model. Throughout the present work, the two fluids are supposed to be Newtonian, incompressible, immiscible and of matched densities. Thus, the Navier-Stokes equations along with the continuity equation, govern the flow of the two fluids, while the Cahn-Hilliard equation is used to describe the evolution of the interface as well as to produce an additional term in the Navier-Stokes equations representing the surface tension force acting only on the interfacial region. Two novel numerical algorithms (NSCH) have been developed for accurate time integration of the governing equations; the first one is used for the simulation of moderate and high Reynolds number flows and the second one for the simulation of low Reynolds number flows. In both cases, the Cahn-Hilliard equation is always treated implicitly, while the modified NS equations are integrated explicitly in the first case and semi-implicitly in the second case. The efficiency of the algorithm is verified on a set of problems. In particular, phase separation processes have been studied, to ensure the validity of the Cahn-Hilliard solver excluding flow effects. Then, the efficiency of the NSCH model is tested by tracking a fluid/fluid interface when it experiences large deformations due to an imposed vortex flow. We have validated the entire algorithm through simulations of two-phase flows and comparison to results found in the literature. Specifically, we studied the interfacial instabilities due to viscosity stratification in a planar Couette flow and the effects of inertia and capillarity on the deformation of liquid drops in simple shear flow. Οι ροές διφασικών ρευστών εμφανίζονται σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και επιστημονικών εφαρμογών. Εγγενές χαρακτηριστικό τέτοιων ροών είναι η τοπολογική εξέλιξη της διεπιφάνειας μεταξύ των ρευστών, η οποία οδηγεί στο σχηματισμό διαφόρων καταστάσεων ή καθεστώτων ροής τα οποία εξαρτώνται από τις ιδιότητες των δύο ρευστών, τις ιδιότητες της διεπιφάνειας και την παροχή. Η λεπτομερής περιγραφή μιας κινούμενης διεπιφάνειας παραμένει πρόκληση από φυσικής και υπολογιστικής σκοπιάς, λόγω της ισχυρής επίδρασης της διεπιφανειακής τάσης και της ασυνέχειας η οποία προκύπτει στα πεδία των τάσεων και της πίεσης. Αυτή η μεταπτυχιακή εργασία διαπραγματεύεται την προσομοίωση πρωτότυπων ροών δύο φάσεων μέσω του μοντέλου «πεδίου φάσης». Τα δύο ρευστά θεωρούνται Νευτώνεια, ασυμπίεστα, μη αναμίξιμα και ίδιας πυκνότητας. Οι εξισώσεις Navier-Stokes μαζί με την εξίσωση της συνέχειας, περιγράφουν τη ροή των δύο ρευστών, ενώ η εξίσωση Cahn-Hilliard χρησιμοποιείται για την περιγραφή της εξέλιξης της διεπιφάνειας καθώς επίσης και την δημιουργία ενός επιπρόσθετου όρου στις εξισώσεις Navier-Stokes που προσομοιάζει την επιφανειακή τάση η οποία ασκείται μόνο στην διεπιφάνεια μεταξύ των ρευστών. Δύο νέοι αριθμητικοί αλγόριθμοι αναπτύχθηκαν (NSCH) για την ακριβή χρονική ολοκλήρωση των εξισώσεων. Ο πρώτος χρησιμοποιείται σε ροές μέτριου και μεγάλου αριθμού Reynolds και ο δεύτερος σε ροές χαμηλού αριθμού Reynolds. Και στις δύο περιπτώσεις η εξίσωση Cahn-Hilliard επιλύεται με την μη-αναλυτή Euler, ενώ οι Navier-Stokes εξισώσεις ολοκληρώνονται μέσω της αναλυτής Euler μεθόδου στην πρώτη περίπτωση και μέσω μιας ημί-μη-αναλυτής μεθόδου στην δεύτερη περίπτωση. Η αποτελεσματικότητα και ακρίβεια των αλγορίθμων επιβεβαιώθηκε σε μια σειρά προβλημάτων. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν διεργασίες διαχωρισμού φάσης, για τον έλεγχο του αλγορίθμου επίλυσης της Cahn-Hilliard εξαιρώντας φαινόμενα ροής. Επίσης, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα του μοντέλου NSCH για την παρακολούθηση της παραμόρφωσης μιας διεπιφάνειας μέσω μιας επιβαλλόμενης ροής περιδίνησης. Ο συνολικός αλγόριθμος ελέγχθηκε και επιβεβαιώθηκε η ακρίβειά του μέσω συγκρίσεων με δημοσιευμένες μελέτες. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η διεπιφανειακή αστάθεια λόγω διαφοράς ιξώδους των δύο ρευστών σε επίπεδη ροή Couette, καθώς επίσης και η επίδραση των αδρανειακών και τριχοειδών δυνάμεων στην παραμόρφωση υγρών σταγόνων σε διατμητική ροή. 2016-03-02T12:26:11Z 2016-03-02T12:26:11Z 2016-02-26 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9174 en 0 application/pdf